碳纤维布加固混凝土梁的工程实践

文章编号:100926825 (2006) 1120046202 碳纤维布加固混凝土梁的工程实践 收稿日期:2005211214 作者简介:姚大鹏(19762 ) ,男,工程师,沈阳建筑大学建筑设计研究院,辽宁沈阳　110016 姜玉玺(19762 ) ,男,工程师,沈阳于洪新城建设投资有限公司,辽宁沈阳　110016 姚大鹏　姜玉玺 摘　要:通过工程实例具体说明采用碳纤维布加固混凝土受弯构件的具体方法和计算步骤,分析了碳纤维布加固混凝土 受弯构件的适用条件,以推广该技术。 关键词:混凝土,受弯构件,碳纤维布加固 中图分类号: TU375. 1 文献标识码:A 引言 碳纤维加固法是指将碳纤维用树脂粘结剂浸渍后叠合在建 筑结构受力构件表面,使之与基体合为一体共同工作,提高结构 构件的(抗弯、抗剪) 承载能力,减少构件的变形,从而达到对建筑 物进行加固、补强的目的。碳纤维加固技术适用于各种结构类 型、各种结构部位的加固修补,如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒 体、壳体等,要求基层混凝土的强度等级不低于C15 即可;碳纤维 增强聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymer ,CFRP) 是由环氧树 脂粘结高抗拉强度的碳纤维束而成的。使用碳纤维布加固具有 以下几个优点: 1) 强度高(强度约为普通钢材的10 倍) ,效果好; 2) 加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性; 3) 自重轻(约200 g/ m2 ) ,基本不增加结构自重及截面尺寸; 柔性好,易于裁剪,适用范围广; 4) 施工简便(不需大型施工机构及周转材料) ,易于操作,经 济性好;

5) 施工工期短(本工程实例仅用6 d) 。 因此,碳纤维结构加固作为新型技术日益普遍的应用在土木 工程中。 1 　碳纤维布加固原理及加固后构件的破坏形式 用于建筑结构加固的碳纤维材料具有优良的力学性能,其抗 拉强度一般为建筑用钢材的十几倍;但是,碳纤维材料织成碳纤 维布后,其中的各碳纤维丝很难完全共同工作,在承受较低的荷 载时,一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度并退 出工作状态,以此类推,各碳纤维丝逐渐断裂,直至整体破坏。而 使用粘结剂后,各碳纤维丝能很好地共同工作,大大提高碳纤维 布的抗拉强度,故碳纤维加固首先必须使碳纤维布加固中的碳纤维丝 能共同工作,因此粘结剂对碳纤维布加固起着关键的作用,它 既要确保各碳纤维丝共同工作,同时又要确保碳纤维布与结构共 同工作,从而达到加固的目的。混凝土受弯构件在粘贴碳纤维布加固 后主要有以下几种破坏形式: 1) 界限破坏:当纤维和钢筋的配置率适当,在受压混凝土达 到极限压应变时,受拉区纤维刚好达到极限强度,此时材料强度 充分利用,截面延性也达最大值; 2) 适筋破坏:受拉钢筋屈服后,受压区混凝土被压坏,碳纤维 未达到极限拉应变; 3) 少筋破坏:钢筋屈服后纤维达到极限拉应变,但受压区混 凝土未被压碎; 4) 超筋破坏:受拉钢筋屈服前,受压区混凝土被压坏; 5) 粘结破坏:在未达到正截面承载力破坏之前,碳纤维与混 凝土基面产生分离。 按文献[1 ]有关规定,碳纤维加固应按1) ,2) ,3) 进行设计,

4) ,5) 属脆性破坏,设计时应注意避免。 2 　工程实例 2. 1 　工程概况 沈阳某计算机广场建于2003 年,因地下二层设备用房中空 调机组设备的更换使得原梁承载力不足而需进行加固。 设备用房使用活载(4. 0 kN/ m2 ) ,原楼面结构为主次梁现浇 板体系(混凝土强度等级C30 ,板受力筋为HPB235 级钢筋,梁受 力筋为HRB335 级钢筋) 。结构验算表明,楼板无需加固,而主次 梁需进行加固,加固平面如图1 所示(仅以L - 1 加固为例) ,计算 跨度L = 8. 4 m ,梁上均布线荷载设计值: qD = 32. 8 kN/ m2 , qL = 14. 2 kN/ m2 ,图中梁上阴影部分为设备基础范围,原设备基础“a” 点处集中力90 kN ,更换设备后为140 kN ,经过方案论证和经济 技术可行性比较,并征得业主的同意,决定采用碳纤维复合材料 进行加固。 2. 2 　材料特性 1) 本工程使用了日本进口的CFRP ,其主要性能指标见表1 。 表1 　碳纤维布加固主要性能指标 品名 纤维面积重 g·cm- 2 设计厚度 mm 抗拉强度 MPa 弹性模量 105 MPa FTS - C1 - 30 300 0. 167 3 550 2. 35 表2 　JGN型建筑结构胶主要性能指标 种类 拉伸强度 MPa 压缩强度 MPa 剪切强度 MPa 适用温度 ℃ 可用时间 min 基底树脂(J GN - E) - - - 0～38 15～30 修补树脂(J GN - F) > 28 > 50 > 18 0～38 > 40 粘结树脂(J GN - D) > 28 > 50 > 18 0～38 > 60 　　2) 粘贴用树脂采用国产J GN 型建筑结构胶,其主要性能指标 ·46 · 第32 卷第11 期 2 0 0 6 年6 月　山西建筑 SHANXI 　ARCHITECTURE 　Vol. 32 No. 11 J un. 　2006  见表2 。 2. 3 　加固设计 2. 3. 1 　设计参数 混凝土C30 , f c = 14. 3 N/ mm2 ,取as = 60 ,原梁纵向受力钢筋 8Φ25 ( As = 3 926 mm2) ,极限承载力Mu0 = 750. 5 kN·m。 由于受弯加固梁为次梁,这里忽略现浇楼板对其刚度的贡 献,偏于安全的按矩形截面简支梁计算,在加固施工前,甲方已将 原设备移除,此时仅有均布恒荷载qd 作用在梁上,由此产生的弯 矩M0 = 289. 3 kN·m > 0. 2 Mu0 ,因此在加固计算时应考虑二次受 力的影响。

2. 3. 2 　计算过程 1) 计算受拉边缘混凝土初始应变εi 。 σsi = M0 As·η·h0 = 289. 3 ×106 3 926 ×0. 87 ×740 = 114. 5 N/ mm2 , A te = 0. 5 bh = 160 000 mm2 ,ρte = As A te = 0. 024 5 , ρ= As bh0 = 3 926 400 ×740 = 0. 013 3 , αE = Es Ec = 2. 0 ×105 2. 55 ×104 = 7. 84 , ψ= 1. 1 - 0. 65 f tk σsi·ρt e = 0. 634 , γ′f = ( b′f - b) h′f bh0 = 0 , ξ= (1 + 3. 5γ′f )αEρ 0. 2 (1 + 3. 5γ′f ) + 6αEρ= 0. 127 , εs i = M0ψ ηEsAsh0 = 3. 63 ×10 - 4 , εci = M0 ξEcbh0 2 = 4. 08 ×10 - 4 , εi = h h0 (εci +εsi ) -εci = 0. 000 43 。 2) 计算受压区高度x ,εcf 。 这里假定L - 1 底部粘贴两层400 宽碳纤维, Acf = 0. 167 × 400 ×2 = 133. 6 mm2 , 解二元方程 x = 0. 8εc u εc u +εcf +εi h f cbx = f yAs + Ecfεcf Acf 得: x = 233. 7 mm ,εcf = 0. 005 1 。 3) 计算ξcf b 。 km = 1 - ncj Ecf tcf 420 000 = 0. 813 > 2/ 3 ,取2/ 3 ; [εcf ] = kmεcf u = 0. 010 1 > 0. 01 ,取0. 01 。 ξcf b = 0. 8εcu εc u + [εcf b ] +εi = 0. 18 。 4) 计算Mu 。 ξcf bh0 = 111 mm < x = 233. 7 mm < ξ · h0 = 407 mm , Mu = f cbx ( h0 - 0. 5 x) + Ecfεcf Acf ( h - h0) = 842. 6 kN·m。 更换设备后L - 1 所承受的弯矩: M1 = 806. 5 kN·m < Mu ,满足要求。 5) 抗剪计算。 V u = 0. 7 f cbh0 + 1. 25 f yv Asv S h0 = 663 kN。 更换设备后L - 1 所承受的剪力: V 1 = 328 kN·m < V u ,满足要求,不必加固。

2. 4 加固施工 2. 4. 1 施工步骤 1) 清除加固梁底及U 型箍处吊筋等障碍物。 2) 用砂轮机将粘贴部位打磨平整,U 型箍转角处打磨成R ≥ 20 mm 的圆弧状,用吹风机清除浮尘并刷丙酮去脂。 3) 涂刷基底树脂(J GN - E) 使其渗透至混凝土内部,以提高 混凝土与碳纤维之间的粘结力。 4) 用整平材料补树脂(J GN - F) 修复,填补不平整部位。 5) 涂刷粘结树脂(J GN - D) ,随即开始粘贴碳纤维布加固,多层粘 贴时重复步骤5) 。 6)粘贴完最后一层碳纤维布加固后再涂刷一道粘结树脂(J GN - D) 。 2. 4. 2 施工要点 本工程加固建设方要求在最短时间内完成,因此在施工中特 别注意以下几点:1) 混凝土与碳纤维布加固之间界面处理的好坏直接 影响到混凝土梁的加固效果,因此梁底面及U 型箍处必须反复打 磨平整,去除混凝土劣化部位,凹陷、缺陷处用修补胶找平。2) 粘 贴碳纤维布加固时必须两人密切配合,一人拉紧碳纤维布加固,一人用刮 板从一侧边刮边贴,保证不留气泡,粘贴紧密。实践证明,刮板粘 贴碳纤维布加固效果很好,碳纤维布空鼓率基本为零。3) 注意搭接区 粘贴,做好标记,保证搭接长度不小于150 mm。经现场锤测及邵 氏硬度计测试,施工质量达到优良,取得了良好的加固效果。 3 结语 1) 对混凝土构件正截面承载力的提高,虽然碳纤维布加固比之加 大截面法略显逊色,但它是在几乎不增加构件自重和使用净空的 情况下完成的加固。

2) 碳纤维布加固不能无限制地提高构件的承载力。粘贴的 碳纤维布加固相当于在截面受拉区增加高强受拉钢筋,在截面和受压 钢筋一定情况下,随拉区钢筋的增加,混凝土受压区高度不断增 加,当达到ξbh0 时至极限,因此加固前梁的极限弯矩已经很接近, Mu ,max =α1 f cbξbh0 ( h0 - 0. 5ξb) + f′yA′s ( h0 - α′s ) 时粘贴碳纤维 布是不理想的;加固前梁的极限弯矩与Mu ,max相差越悬殊(原梁 配筋率越小) ,粘贴碳纤维布加固效果越理想,故采用碳纤维布加固受弯构件适用于少筋梁和适筋梁。 参考文献: [1 ]CECS 146∶2003 ,碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[ S] . [2 ] GB 5001022002 ,混凝土结构设计规程[ S] . Engineering practice of carbon f iber sheet in reinforcement treatment of concrete beam YAO Da2peng JIANGYu2xi Abstract : Combined with practical work the construction method and calculation steps of carbon fiber sheet in reinforcement treatment of con2 crete member in bending are introduced. Further study is also carried out to analyze the application conditions of carbon fiber sheet in order to promote the application of this technology. Key words : concrete , member in bending , carbon fiber sheet ·47 · 第32 卷第11 期 2 0 0 6 年6 月 姚大鹏等:碳纤维布加固混凝土梁的工程实践

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